黃躍群，首建威

（五凌電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

混凝土刻槽置換、貼坡等手段雖然在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛，但對(duì)于其作用效果的檢測(cè)目前尚處于定性和經(jīng)驗(yàn)階段，采用模型試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算對(duì)其進(jìn)行定量研究的相關(guān)文獻(xiàn)還較為少見(jiàn)。本文結(jié)合實(shí)際工程，采用有限元方法對(duì)這些常見(jiàn)的基礎(chǔ)軟弱夾層處理方法進(jìn)行分析研究，并初步探討了刻槽置換與其他工程措施 （如平硐、貼坡）進(jìn)行組合后的效果，以期為工程設(shè)計(jì)提供更為合理的建議和有效的措施。

某水電站工程通航建筑物為一級(jí)垂直吊升船機(jī)，土建主體工程主要由20根墩柱 （其中上游6根，下游12根，引航壩段2根）和20根軌道梁組成。在上游引航道開(kāi)挖過(guò)程中，排架柱下部坡面上出露有厚約2.5～4.0 m的泥巖夾層，巖性為紫紅色夾綠色團(tuán)塊粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，沿上、下游方向展布，傾角約30°?？紤]到該區(qū)域處于水下，而泥巖夾層遇水浸泡軟化，可能會(huì)造成升船機(jī)排架柱變形過(guò)大，引發(fā)邊坡失穩(wěn)。為此，對(duì)排架柱基礎(chǔ)采用整底板澆筑，并對(duì)泥巖夾層采用刻槽置換。為研究混凝土刻槽置換的處理效果，采用數(shù)值計(jì)算方法加以驗(yàn)證。

1 計(jì)算模型及荷載

1.1 計(jì)算模型

建立升船機(jī)排架柱邊坡基礎(chǔ)三維有限元模型，如圖1。為了簡(jiǎn)化所研究的問(wèn)題同時(shí)又保證結(jié)果的可靠性，本模型選取上游邊坡做分析，模擬上游6根排架柱Z1～Z6區(qū)域78 m×90 m×98 m范圍。模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)約8 218個(gè)，單元總數(shù)約6 596（個(gè)不同模型之間略有不同），由8節(jié)點(diǎn)六面體單元和6節(jié)點(diǎn)五面體單元組成。計(jì)算所采用的材料參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 計(jì)算荷載

計(jì)算考慮的荷載包括地應(yīng)力 （等效于無(wú)外力作用時(shí)的山體自重應(yīng)力）、自重荷載以及排架柱作用在基礎(chǔ)上的荷載 （見(jiàn)表2）。選用德魯克 （Drucker-Prager）本構(gòu)模型，邊界采用簡(jiǎn)支約束。

圖1 升船機(jī)排架柱基礎(chǔ)有限元模型

表1 材料參數(shù)

表2 排架柱計(jì)算荷載 106N

1.3 等效塑性應(yīng)變

采用等效塑性應(yīng)變 （PEEQ）指標(biāo)評(píng)價(jià)材料是否進(jìn)入塑性狀態(tài)及其程度。當(dāng)PEEQ≥1×10-5時(shí)，材料進(jìn)入塑性強(qiáng)化狀態(tài)；反之，則材料仍處于彈性狀態(tài)。

等效塑性應(yīng)變 （PEEQ）在數(shù)學(xué)上表示為

2 計(jì)算結(jié)果分析

本文共對(duì)比分析研究了3組不同情況對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，分別為：①不處理與采用刻槽置換對(duì)軟弱夾層及基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響；②平硐對(duì)軟弱夾層以及基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響；③貼坡對(duì)軟弱夾層以及基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響。

2.1 刻槽置換效果分析

圖2 基礎(chǔ)不刻槽置換最小主應(yīng)力云圖

若排架柱基礎(chǔ)采用整底板澆筑，但對(duì)粉砂質(zhì)泥巖夾層不進(jìn)行混凝土刻槽置換，基礎(chǔ)的變形以及最小主應(yīng)力見(jiàn)圖2（圖中變形放大2 000倍）。從圖2可以看出，在外荷載的作用下，泥巖夾層在坡面出露位置最小主應(yīng)力一般不大于0.5 MPa。此時(shí)泥巖夾層的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖3，圖中顏色較淺部分為PEEQ≥1×10-5的區(qū)域，即認(rèn)為是材料進(jìn)入塑性強(qiáng)化狀態(tài)的區(qū)域。從圖中可以看出，基巖大部分區(qū)域處于彈性狀態(tài)，只有泥巖夾層上存在進(jìn)入塑性狀態(tài)的區(qū)域。

圖3 基礎(chǔ)不刻槽置換等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

若對(duì)泥巖夾層采用混凝土置換，刻槽深度為1倍夾層厚度，約3～4 m深?？傻玫酱藭r(shí)的排架柱基礎(chǔ)變形及最小主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖4（圖中變形放大2 000倍）。從圖4可以看出，刻槽置換對(duì)基礎(chǔ)的整體應(yīng)力影響不大。

圖4 基礎(chǔ)刻槽置換最小主應(yīng)力云圖

刻槽置換后的泥巖夾層等效塑性應(yīng)變 （PEEQ）云圖見(jiàn)圖5。對(duì)比圖3可以看出，刻槽置換后基礎(chǔ)泥巖夾層的塑性強(qiáng)化區(qū)域比未刻槽置換時(shí)減小了很多，前者約為后者面積的1/3。這說(shuō)明，采用混凝土置換可以有效地改善基礎(chǔ)以及軟弱夾層應(yīng)力條件，降低軟弱夾層的破壞程度。對(duì)于工程上含軟弱夾層的基礎(chǔ)處理來(lái)說(shuō)，混凝土刻槽置換是一種行之有效的辦法。

圖5 基礎(chǔ)刻槽置換等效塑性應(yīng)變?cè)茍D （f=0.7）

2.2 平硐對(duì)刻槽效果的影響

為分析有無(wú)平硐對(duì)刻槽置換效果的影響，建立帶平硐的混凝土刻槽置換模型，與刻槽混凝土形成“T”形；平硐深度約為3～5倍刻槽深。

此時(shí)軟弱夾層的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖6。對(duì)比圖5可以看出，在縱向刻槽置換的同時(shí)采用橫向的平硐，泥巖夾層的塑性區(qū)有所減小，但等效塑性應(yīng)變的最大值稍有增大，從1.761×10-4變?yōu)?.019×10-4，局部區(qū)域應(yīng)力條件有所變壞。

圖6 在中部設(shè)平硐時(shí)夾層等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

2.3 貼坡對(duì)刻槽效果的影響

工程中對(duì)邊坡的處理常采用貼坡混凝土，一則可以護(hù)坡，二則可以起到延長(zhǎng)滲徑從而保護(hù)邊坡不受滲流破壞的作用。現(xiàn)研究貼坡對(duì)刻槽置換效果的影響。

在不分縫情況下，基礎(chǔ)軟弱夾層的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖7a。對(duì)比圖3可以看出，刻槽并采用貼坡混凝土后，軟弱夾層的塑性區(qū)范圍較不處理時(shí)沒(méi)有較明顯變化，但是在坡面附近，軟弱夾層不存在任何塑性區(qū)。這說(shuō)明貼坡混凝土能夠有效地改善淺層巖體的應(yīng)力條件，但對(duì)深部巖石的影響不大。

在分縫情況下，基礎(chǔ)軟弱夾層的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖7b。從圖7b中可以看出，軟弱夾層的塑性區(qū)較之未分縫時(shí)略有減小，深層部位的應(yīng)力條件有所改善，說(shuō)明采用分縫的方式將基礎(chǔ)變形較大部位與貼坡隔離開(kāi)來(lái)，對(duì)改善軟弱夾層應(yīng)力條件有利。

圖7 貼坡加刻槽置換工況軟弱夾層等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

3 結(jié)論

（1）對(duì)于含軟弱夾層的基礎(chǔ)處理，采用混凝土刻槽置換的方法可以有效地改善夾層的應(yīng)力情況，降低軟弱夾層受破壞的程度。

（2）在刻槽的同時(shí)增設(shè)平硐，在一定程度上能加強(qiáng)刻槽置換效果。

（3）貼坡混凝土與承重基礎(chǔ)不分縫時(shí)，受承重基礎(chǔ)變形影響，貼坡混凝土可能會(huì)在一定程度上削弱混凝土置換塊的效果。但是，貼坡會(huì)顯著改善貼坡附近淺層巖體的應(yīng)力條件，減少坡面處淺層巖體的塑性區(qū)范圍?？紤]到貼坡可以同時(shí)改善邊坡滲流破壞，在應(yīng)用貼坡時(shí)，應(yīng)適當(dāng)分縫，同時(shí)加強(qiáng)貼坡與基巖的整體性，如增設(shè)錨索、錨桿，在坡腳設(shè)置齒槽或壓腳以加強(qiáng)對(duì)貼坡的防護(hù)。

［1］ 段亞輝，王宏碩，陸述遠(yuǎn).重力壩壩基抗滑硐塞破壞機(jī)理的分析［J］.武漢水利電力學(xué)院學(xué)報(bào)， 1990， 23（1）:10-17.

［2］ 段亞輝.混凝土硐塞加固重力壩基緩傾角結(jié)構(gòu)面等K設(shè)計(jì)方法研究［J］.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)， 1995， 28（6）:664-669.

［3］ Caric D M,Eigenheer L P,Uriarte J,etal.The Itaipu Hollow Grav ity Dam［J］.Water Power and Dam Construction.1982（5）:30-44.

［4］ 潘家軍，徐遠(yuǎn)杰.貼坡型混凝土面板堆石壩三維非線性分析［J］.巖土力學(xué)， 2008， 29（增）:113-117.

［5］ 唐力，劉暉.三峽庫(kù)區(qū)重慶市云陽(yáng)新縣城庫(kù)岸治理［J］.水利水電快報(bào)， 2003， 24（13）:31-33.

［6］ 孫冠華，鄭宏，李春光.基于等效塑性應(yīng)變的邊坡滑面搜索［J］.巖土力學(xué)， 2008， 29（5）:1159-1163.

［7］ 孫冠華，鄭宏，李春光.基于等效塑性應(yīng)變的三維邊坡滑面搜索［J］. 巖土力學(xué)， 2010， 31（2）: 627-632.